建筑消防自喷系统流量和压力计算方法

水力计算是自喷系统工程设计中的重要步骤，用于确定系统的最不利作用面积，最不利作用面积内喷头数量、位置、各喷头的工作压力和流量，系统的流量以及向最不利作用面积输送设计流量的供水压力等。

《自喷系统设计规范》规定：系统的设计流量，应按最不利作用面积内所有喷头同时喷水时的总流量确定。具体的方法及步骤如下：

（1）按《自喷系统设计规范》的规定，确定设置场所的火灾危险等级以及系统的设计喷水强度、作用面积和持续喷水时间。

（2）依据设置场所的具体情况，确定系统最不利作用面积的位置和最不利点喷头的位置。

（3）根据设置场所的特点及喷头的选型，确定喷头的应用压力。

选定喷头的应用压力以及最不利点喷头的应用压力，均应在选定喷头的工作压力范围之内。K=80喷头的应用压力应按0.10 MPa确定。选用K=80喷头的轻、中危险级自喷系统，最不利点喷头的应用压力可按不低于0.05 MPa确定。选用K=80喷头的轻、中危险级自喷系统，当按启用最不利点1只喷头确定的湿式阀开阀流量为60 L/min时，最不利点喷头的应用压力应按流量60 L/min确定；按启用最不利点1只喷头确定的湿式阀开阀流量为80 L/min时，最不利点喷头的应用压力应按流量80 L/min确定。

确定自喷系统流量及相应供水压力的方法如下：

每只喷头的保护面积应根据选定喷头在应用压力下的流量及系统的设计喷水强度按式（33）确定：

式中　St——单只喷头的保护面积（m2），单只喷头保护面积的取值，不得超出规范的规定；

　　　q——喷头在设定工作压力下的流量（L/min），应依据喷头的选型、设定的工作压力，按式q=计算，其中p为喷头工作压力（MPa）；

　　　w——系统的设计喷水强度[L/（min·m2）]。

系统中按正方形、矩形、菱形或平行四边形布置的喷头，4只喷头的围合面积，不得超出单只喷头的保护面积。按4只喷头围合面积确定的配水支管上喷头的间距，不得超出规范的规定。

系统中喷头按正方形或菱形布置时，配水支管上喷头的间距按式（34）确定：

式中　Lt——配水支管上喷头的间距（m），其取值不得超出规范的规定。

系统中喷头按矩形或平行四边形布置时，配水支管上喷头的间距应为矩形、平行四边形的长边边长，并应按式（35）确定：

两相邻配水支管间的距离，喷头按正方形布置时，与配水支管上的喷头间距相等；喷头按矩形布置时，等于矩形的短边边长；喷头按平行四边形或菱形布置时，等于平行四边形、菱形的高，并应按式（36）确定：

式中　Lg——相邻两配水支管之间的距离（m）。

系统作用面积内的喷头数量，应按式（37）确定：

式中　N——系统作用面积内喷头的数量（只），当S不能被Sp整除时，N的取值应按取商的整数并加1确定；

　　　S——系统作用面积（m2）。

《自喷系统设计规范》规定：最不利作用面积宜为矩形，矩形的长边应平行于配水支管，长度按不宜小于作用面积平方根的1.2倍确定。依据是最不利作用面积内喷头全部开启时的喷水范围，形状为长边平行于配水支管的矩形时，对供水流量和供水压力的要求较高。

最不利作用面积的长边取值应按式（38）确定：

最不利作用面积内最不利配水支管上的喷头数量，应按式（39）确定：

式中　Lc——最不利作用面积的长边（m）；

　　　n——最不利作用面积内最不利配水支管上的喷头数量（只），当Lc不能被Lt整除时，n的取值应按取商的整数并加1确定。

最不利作用面积内配水支管的数量，应按式（40）确定：

式中　m——最不利作用面积内配水支管的数量（根），当N不能被n整除时，m的取值应按取商的整数并加1确定。

最不利作用面积内最有利配水支管上的喷头，应靠近配水管布置。

最不利作用面积内各个喷头的工作压力、流量以及相应连接管段的水头损失，应按逐点计算的方法依次确定：

（1）设定最不利点喷头的应用压力及相应连接管段的管径，计算最不利点喷头的流量及其连接管段的水头损失（连接管段的水头损失，采用管道水头损失计算公式计算）。

（2）依次逐一确定最不利作用面积内最不利配水支管上其他各个喷头的工作压力、流量以及相应连接管段的管径与水头损失。

（3）最不利作用面积内最不利配水支管上各个喷头的流量之和，确定为最不利配水支管的流量。

（4）最不利配水支管与配水管连接节点的压力，确定为最不利配水支管的入口压力。

采用最不利配水支管的流量与入口压力，按式k=计算最不利配水支管的流量系数：

式中　qz1——最不利配水支管的流量（L/min）；

　　　pz1——最不利配水支管的入口压力（MPa）；

　　　k1——最不利配水支管的流量系数。

（5）确定与最不利配水支管相连接配水管的管径，计算最不利配水支管与其相邻配水支管之间配水管管段的水头损失，确定相邻配水支管的入口压力。

（6）当最不利作用面积内其他配水支管上的喷头和管段的配置与最不利配水支管相同时，采用最不利配水支管的流量系数，依次确定其他配水支管的流量、与之相连的配水管的管径以及配水管管段的水头损失。

（7）最不利作用面积内喷头全部开启时的流量之和，确定为系统设计流量。

（8）最不利作用面积内最有利配水支管与配水管连接节点的压力，确定为最不利作用面积的入口压力。

配水支管可有多种布置方式：①配水支管布置在配水管一侧；②配水支管布置在配水管两侧，并且两侧配水支管上的喷头数量相等；③配水支管布置在配水管两侧，但两侧配水支管上的喷头数量不相等。采用不同布置方式的配水管道，系统的设计流量和供水压力有所不同。

当最不利作用面积内配水管两侧配水支管上的喷头数量不相等时，应采用最不利点喷头的应用压力，分别自配水管两侧配水支管的远端喷头，依次逐一计算喷头数量较多一侧最不利配水支管、喷头数量较少一侧最不利配水支管上各个喷头的流量、两侧配水支管的流量以及相应的入口压力。

按式k=分别计算喷头数量较多一侧最不利配水支管、喷头数量较少一侧最不利配水支管的流量系数。其中，喷头数量较多一侧最不利配水支管的流量系数按式（42）计算。

喷头数量较少一侧最不利配水支管的流量系数按式（43）计算。

根据配水管两侧配水支管入口压力相等的原理，采用喷头数量较多一侧最不利配水支管入口压力，按式（44）计算。

调整喷头数量较少一侧最不利配水支管的流量。

式中　qz1——喷头数量较多一侧最不利配水支管的流量（L/min）；

　　　pz1——喷头数量较多一侧最不利配水支管的入口压力（MPa）；

　　　qz2——平衡入口压力之前喷头数量较少一侧最不利配水支管的流量（L/min）；

　　　pz2——平衡入口压力之前喷头数量较少一侧最不利配水支管的入口压力（MPa）；

　　　qz3——平衡入口压力之后喷头数量较少一侧最不利配水支管的流量（L/min）。(www.xing528.com)

当最不利作用面积内，最有利配水支管上的喷头数量少于其他配水支管上的喷头数量时，应按下列步骤计算最有利配水支管的流量。

采用最不利点喷头应用压力，自远端依次逐一计算最有利配水支管上同时启用的各个喷头的流量以及配水支管的流量与入口压力，按式（45）计算该配水支管的流量系数。

式中　qz4——最不利作用面积内最有利配水支管调整前的流量（L/min）；

　　　pz4——最不利作用面积内最有利配水支管调整前的入口压力（MPa）；

　　　k3——最不利作用面积内最有利配水支管的流量系数。

采用自最不利配水支管入口向配水管上游逐步计算而获得的最有利配水支管入口压力和流量系数，按式（46）调整最有利配水支管的流量。

式中　pz5——最不利作用面积内最有利配水支管的入口压力（MPa）；

　　　qz5——最不利作用面积内最有利配水支管调整后的流量（L/min）。

总之，当最不利作用面积内各配水支管上喷头的数量不等时，喷头数量较少的配水支管应重新计算流量系数，并调整此类配水支管的流量。

（9）汇总最不利作用面积内所有喷头的总流量后，计算自最不利作用面积入口至供水泵出口的管道水头损失。

《自喷系统设计规范》（2001年版）规定，每米管道的水头损失应按式（47）计算：

式中　i——1 m管道的水头损失（MPa/m）；

　　　v——管道内水的平均流速（m/s）；

　　　dj——管道的计算内径（m）。

式（47）来源自该规范1985年版采用的适用于流速v≥1.2 m/s的舍维列夫公式：i=，转换单位后准确的计算公式应为i=。

《消防给水及消火栓规范》规定室内外输配水管道，按《建筑给水排水设计规范》采用海澄-威廉公式计算[式（48）]：

式中　i——1 m管道的水头损失（MPa/m）；

　　　Q——流量（L/s）；

　　　d——管道内径（m）；

　　　C——海澄-威廉系数，镀锌钢管取值为120。

《自喷系统设计规范》（2017年版）采用海澄-威廉公式计算[式（49）]：

式中　i——1 m管道的水头损失（kPa/m）；

　　　Q——流量（L/min）；

　　　d——管道内径（mm）；

　　　C——海澄-威廉系数，镀锌钢管取值为120。

采用英制单位表达的海澄-威廉公式[式（50）]：

式中　i——1 ft管道的水头损失（psi/ft）；

　　　Q——流量（gpm，即gal/min）；

　　　d——管道内径（in）；

　　　C——管道粗糙系数，取值为120。管道水头损失计算示例如表28所列。

表28　管道水头损失计算示例

上表表明：公式Ⅲ与公式Ⅱ的计算结果一致，明显低于公式Ⅰ的计算结果。

系统中的局部水头损失应采用当量长度法确定。埋地管道为铸铁管道时，铸铁管件的当量长度应相应增大1/3，即应乘以系数1.33。

工程设计在计算管道水头损失时，应充分考虑配水管为避让同一层面其他专业管道等水平障碍物而弯上、弯下所增加的弯头，并将增加弯头的局部水头损失计入其中。因此，应在完成管道安装后核算管道的水头损失。

系统的供水压力，应按最不利点喷头的工作压力、供水管道的水头损失以及供水的高程差之和确定。

系统供水泵的扬程应按式（51）计算：

式中　H——供水泵扬程（MPa）；

　　　∑h——系统在设计流量状态下，管道沿程水头损失和局部水头损失之和（MPa）；

　　　py——最不利点喷头的工作压力（MPa）；

　　　Z——供水的高程差，按最不利点喷头与消防水池最低有效水位之间的高程差确定（m）。

水流指示器、报警阀等系统组件以及通用阀门、管件等的局部水头损失，应按产品标准的规定、相应的设计手册或制造商提供的数据取值。《消防给水及消火栓规范》考虑“管道施工时折弯可能不少”以及“某种原因造成局部截面缩小”等因复杂程度和不可预见而发生的管道变更带来的不确定性，提出∑h应取1.2～1.4的安全系数。此外，该规范提出，当资料不全时，局部水头损失可按管道沿程水头损失的10%～30%估算，消防给水干管和室内消火栓可按10%～20%计，自动喷水等支管较多时可按30%计。

如果按逐点法进行水力计算、施工后进行核算、调试时进行试验的程序，可以逐渐将安全系数的取值降至最低。

确定系统供水泵的选型后，应在选定水泵的特性曲线上标注符合系统设计要求的供水点。系统设计要求的供水点应在水泵特性曲线的高效区。

以中Ⅰ级湿式系统为例，当设置场所的火灾危险等级确定为中Ⅰ级后，确定系统的设计参数：喷水强度应按不小于6 L/（min·m2）确定，作用面积应按不小于160 m2确定，单只K=80喷头的最大保护面积应按12.5 m2确定。

K=80喷头应用压力应为0.1 MPa。最不利作用面积内喷头数N=160/12.5=12.8，确定为13只，最不利作用面积的长边按Lc==15.2 m确定，喷头采用正方形布置时最大间距为3.6 m。

最不利作用面积内最不利配水支管可同时启用的喷头n=15.2/3.6=4.2，确定为5只，次不利配水支管同时启用喷头同样为5只，最有利配水支管同时启用喷头为3只[图10（a）]。

当湿式阀开阀流量按60 L/min设定时，最不利点K=80喷头的应用压力应采用0.05 MPa，工作压力应按60 L/min及公式q=确定为p=0.056 MPa。最不利点处喷水强度按6 L/（min·m2）的85%确定为6×0.85=5.1 L/（min·m2），单只喷头的保护面积按60/5.1确定为12 m2。喷头按长方形布置，配水支管上喷头间距取3.6 m，配水支管间距按12/3.6确定为3.4 m，最不利作用面积内喷头数量按N=160/12=13.3，确定为14只，3根配水支管上同时启用的喷头数量依次为5只、5只和4只[图10（b）]。

按前述的水力计算方法确定系统的设计流量、管道水头损失以及供水压力后，确定供水泵的选型。

与此同时，应设定应急流量、初期流量，计算相应的供水压力，确定高位消防水箱的功能、选型及设置高度。若稳压设施采用气压给水设备，应确定气压水罐的选型、安装位置及相应的消防工作压力。

图10　闭式自喷系统最不利作用面积示意图

当系统设置应急供水稳压设施时，应在水力计算中确定稳压设施的应急供水能力，包括同时启用喷头的数量和位置、应急供水流量和相应的应急供水压力以及储水量等；当系统设置初期供水稳压设施时，应计算确定初期供水能力，包括同时启用4只喷头的初期流量及相应的初期供水压力以及储水量等。

采用K=80喷头的自喷系统，当最不利点喷头的应用压力采用0.05 MPa时，可降低高位消防水箱的设置高度和气压水罐的消防工作压力。按经济流速确定配水管道的管径、适当放大供水不利区域配水管道的管径，可降低相应配水管道的水头损失。

相同危险等级的建筑物具体情况各不相同，系统的配水管道也可有多种布置形式，以致系统的流量和供水压力不尽相同，因此应通过水力计算确定。